東京大学 工学系研究科 2011年8月実施 数学 第1問
Author
祭音Myyura (co-authored with GPT 6 Astra)
Description
I. 微分方程式 y′+(2x2+1)y+y2+x4+x2+2x=0 の一般解を求めよ。y=−x2 が特解であることを用いてよい。
II. y を二階まで連続微分可能とし、I(y)=∫x1x2F(x,y,y′)dx とする。
- 任意の微分可能な関数 η に対し Y=y+kη(∣k∣≪1)とおく。δI=I(Y)−I(y) を k の一次まで展開せよ。
- 両端で y(x1)=y1,y(x2)=y2 が固定されているとき、極値を与える必要条件を求めよ。
- 始点で y(x1)=y1 のみが与えられ、終点の値が自由な場合の必要条件を求めよ。
- F=y2+(y′)2,x1=0,x2=1,y(0)=1、終点自由の場合に極値を与える関数を求めよ。
题目描述
I. 求 y′+(2x2+1)y+y2+x4+x2+2x=0 的通解。可利用特解 y=−x2。
II. 设 y 二阶连续可微,I(y)=∫x1x2F(x,y,y′)dx。
- 对可微函数 η,令 Y=y+kη,∣k∣≪1。将 δI=I(Y)−I(y) 展开到 k 的一阶。
- 两端固定 y(x1)=y1,y(x2)=y2 时,写出取得极值的必要条件。
- 只有左端固定 y(x1)=y1、右端函数值自由时,写出极值的必要条件。
- 若 F=y2+(y′)2,x1=0,x2=1,y(0)=1,右端自由,求使 I 取极值的函数。
Kai
y=−x2+u とおくと、原方程式は u′+u+u2=0 となる。
u=0 のとき v=1/u とおけば v′−v=1 なので、
y=−x2+Cex−11.
代換で除かれた解 y=−x2 も加える。式は分母が零でない区間で考える。C=0 は y=−x2−1 を与える。
1–2
F を後二変数について展開し、部分積分すると、
δI=k∫x1x2(Fyη+Fy′η′)dx+o(k)=k[Fy′η]x1x2+k∫x1x2(Fy−dxdFy′)ηdx+o(k).
両端固定では η(x1)=η(x2)=0 である。変分の基本補題より、必要条件は
Fy−dxdFy′=0,y(x1)=y1,y(x2)=y2.
η(x1)=0、η(x2) は任意なので、Euler–Lagrange 方程式に加えて自然境界条件
Fy′(x2,y(x2),y′(x2))=0.
方程式と境界条件は y′′=y,y(0)=1,y′(1)=0 であり、これを解くと、
y(x)=cosh1cosh(1−x).
零でない変分 η(0)=0 に対する二次増分は ∫01(η2+(η′)2)dx>0 なので、これは唯一の最小化関数である。